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탄성과 강도가 크기 때문에 흔히 철보다 강하고 알루미늄보다 가볍다. 원료에 따라 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계, 레이온계로 분류되나 PAN계와 레이온계가 거의 대부분을 차지한다. PAN계 탄소섬유는 PAN을 비활성 기체하에서 1,000~2,000℃ 이상의 온도에서 구워 만든다.

피치계의 경우는 석탄에서 나오는 피치를 섬유화한 뒤 PAN계와 거의 같은 공정을 거쳐 만든다. 이밖에도 증기상의 벤젠에서 직접 탄소섬유를 성장시키는 방법도 개발되었으나 아직 공업화는 이루어지지 않았다. 탄소섬유의 밀도는 1.8g/㎤으로 다른 재료에 비해 강도와 탄성이 크다는 것이 가장 큰 특징이다. 피로에 강하고 진동의 감쇠성이 뛰어나다는 장점이 있다. 예컨대 PAN계의 고품위 품목은 인장강도는 700㎏f/㎟, 내열성은 1,000℃이지만 비중은 1.5~2로 가볍기 때문에 복합재료로서 항공기의 동체나 날개 등의 구조재와 골프채나 라켓, 그리고 낚싯대의 소재로 사용된다. 또 피치계는 PAN 계열과 비교해 값이 싸기 때문에 고온단열재나 보강재로 이용되고 있다. 탄소섬유를 강화재로 한 섬유강화 콘크리트(FRC)는 탄소섬유가 콘크리트의 단점을 보완해 강도가 증가하여 철근의 양을 절약함으로써 단위면적당 중량을 2/3 정도까지 줄일 수 있다.

탄소섬유-폴리에테르에테르케톤(PEEK) 복합재료는 PEEK를 기질로 하고 탄소섬유를 강화재로 한 섬유강화 플라스틱(FRP)이다. 항공기의 구조재료용의 복합재료로 쓰이고 있다. 종래 항공기에는 초강력 듀랄루민(알루미늄·구리·마그네슘·망간·규소의 경합금) 등의 알루미늄 합금을 자재(資材)로 하고 수직 꼬리날개 등에는 부분적으로 에폭시 수지를 기질로 하여 탄소섬유나 아라미드 섬유를 강화재로 사용했으나 PEEK-탄소섬유 복합재료는 피로수명이 다른 첨단복합재료보다 100배나 길고, 같은 강도를 얻기 위해서는 알루미늄 합금의 절반, 그리고 탄소섬유-에폭시 수지 복합재료의 약 60％이면 충분하다.